單相PWM整流器前饋解耦控制策略研究

余發山，劉根鋒，張宏偉，耿　沖

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

單相PWM整流器前饋解耦控制策略研究

余發山，劉根鋒，張宏偉，耿沖

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

考慮到單相電壓型PWM整流器只有一相的特殊性,提出了一種基于旋轉坐標變換的前饋解耦控制策略，通過構建正交虛擬電流完成網側電流的單相旋轉坐標變換和采用前饋解耦控制，實現網側電流的矢量控制和穩定直流母線電壓。在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半實物仿真實驗平臺，結果表明該控制策略能夠滿足系統要求，驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

單相PWM整流器；前饋解耦控制；單相坐標旋轉；單位功率因數

隨著電力電子器件性能的不斷提高，脈寬調制(PWM)整流器因具有諧波含量低、可實現網側電流正弦化且運行于單位功率因數還具有能量雙向流動等優勢，在越來越多的場合獲得了廣泛的應用[1-2]。其中，在某些特定場合單相PWM整流器用的還是比較多，因而其控制策略也成為研究的熱點。目前單相電壓型PWM整流器主流的控制方法是基于PI、P調節器的雙環控制[3]，但無法實現電流的無靜差控制；比例諧振控制[4-5]不便實現有功、無功功率非獨立控制；基于旋轉坐標單相PWM整流器控制[6]輸入量之間相互耦合等控制策略存在一些不足。

本文采用的是基于坐標變換[7]的前饋解耦控制策略，實現單相PWM整流器有功、無功功率獨立控制、網側單位功率因數運行及穩定直流母線側電壓。在MATLAB中進行建模仿真和RT-LAB的半實物實驗，結果表明此系統能夠達到控制要求，驗證了此控制策略的正確性和有效性。

1　單相PWM整流器的數學模型

單相PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。

其中us、is、d為交流側電網電壓、電流和占空比，Ls為交流側電感，起能量傳遞、抑制網側高頻諧波以及平衡電網電壓與直流輸出電壓的作用；Rs為交流側等效電阻，一般比較小；udc為直流側電壓；V1～V4為全控型功率開關管；VD1～VD4為依次并聯在V1～V4上的續流二極管，以緩沖PWM過程中無功能量；電容C為直流濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路以及減少直流電壓紋波。通過功率開關管的控制，電路可以工作在整流狀態或逆變狀態。

由圖1可知，運用電路原理可得單相電壓型PWM整流器拓撲結構的占空比數學模型為：

設單相PWM整流器交流側電壓和電流分別為：

任意單相正弦向量x(t)分解后可得：

將Xd和Xq視作為d-q旋轉坐標系中的直流量，由于單相PWM整流器系統只有一個自由度，無法直接進行坐標變化，為此可以虛擬一個與單相系統交流量正交的交流量iv來滿足坐標變化的兩個自由度條件，從而可以構成虛擬的兩相靜止坐標系，然后可以用旋轉坐標變化將輸入電流轉化為旋轉坐標系下的直流量[8]。虛擬交流電流量可通過將實際的交流電流量延遲π/2然后乘以－1得到：

(2)式和(6)式可表示成(5)式的形式：

將(9)式帶入(1)式可得到單相電壓型PWM整流器在旋轉坐標系下的數學模型：

2　單相PWM整流器前饋解耦控制策略

從式(10)式可以看出，id、iq相互耦合，不能實現獨立控制，可以借鑒三相型PWM整流器中常用的前饋解耦控制方式，將其引入到單相電壓型PWM整流器的控制中，其控制數學模型為：

將式(11)帶入式(12)可得：

式(12)中：id、iq完全解耦，能夠實現獨立控制，其中id*為有功電流指令值，由電壓外環給出；iq*為無功電流指令值，設其為零即可實現單相電壓型PWM整流器網側運行于單位功率因數。其系統控制框圖如下圖2所示。

圖2　旋轉坐標變換的前饋解耦控制框圖

3　仿真和實驗驗證

3.1仿真分析

本文搭建了MATLAB/Simulink仿真模型，仿真參數為：網側電壓為交流us=220 V，頻率為50 Hz；交流側電感為Ls= 5 mH，交流側等效電阻為Rs=0.1 Ω；直流側電容為C=3 mF；直流母線電壓的直流值為Udc*=400 V，負載電阻為R=178 Ω；PWM整流器的輸出功率為900 W，仿真時間是0.5 s。

圖3　單相PWM整流波形

圖4　單相PWM逆變波形

圖3是單相PWM整流器整流狀態的網側電壓電流is和直流母線側電壓us波形。由圖可以看出直流母線電壓udc在0.25 s左右時系統進入穩態，直流母線側電壓穩定在400 V左右，并且網側電壓電流能夠實現同相位運行且波形接近正弦波。圖4所示是單相PWM整流器逆變狀態的網側電流電壓波形。從圖中可以看出網側電壓電流能夠實現反相位運行且波形接近正弦波。這說明了此前饋解耦控制算法能夠使單相PWM整流器運行在近單位功率因數，達到了控制要求且波形很好。

3.2實驗結果分析

為了進一步驗證所提出控制策略的正確性，搭建了基于RT-LAB的半實物仿真實驗平臺。RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工業級的分布式實時系統平臺，可以在這個平臺上實時仿真，快速控制原型與硬件進行回路測試，實現工程項目的設計。

實驗電路參數：交流電壓有效值220 V，頻率50 Hz，交流側電感5 mH，直流側電容為3 000 μF，直流母線電壓指令400 V,負載178 Ω；主電路采用IXFH28N60P3 MOSFET管，驅動模塊采用IR2110，電流檢測用傳感器HBA10-SP，電壓檢測用HV25-P。

圖5是整流時直流母線側的電壓udc波形，直流母線側電壓能穩定在400 V。圖6所示是在整流時交流側電壓us電流is波形，圖中顯示的波形接近正弦波，且電壓電流同相位，圖7是逆變時交流側電壓us電流is波形，波形接近正弦波，且電壓電流同反相位。說明此控制策略能達到控制要求，使網側電流正弦化和輸出穩定在400 V。

圖5　直流母線udc波形

圖6　整流us與is波形

圖7　逆變us與is波形

4　結束語

本文分析了單相PWM整流器的工作原理，針對其特殊性，提出了一種基于單相坐標旋轉及其輸入電流前饋解耦的控制策略，并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半實物實時實驗平臺。仿真和實驗結果顯示，系統能夠運行在單位功率因數和維持直流側電壓的穩定，驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

[1]張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].安徽：合肥工業大學，2003.

[2]YU F S,LIU G F,ZHANG H W.The design of monitoring system for Li-ion battery formation equipment[J].Advanced Materials Research,2014,953/954:780-785.

[3]楊會敏，宋建成.基于雙環控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真[J].電氣傳動自動化，2009,31(2):15-18.

[4]高吉磊，林飛，鄭瓊林.基于網壓預測的單相PWM整流器比例諧振控制[J].電工技術學報，2011,26(5)：45-50.

[5]朱榮伍，伍小杰，楊艷，等.采用比例諧振調節器的單相電壓型PWM整流[J].高電壓技術,2010,36(8):2095-2100.

[6]肖漢，曾岳南，唐雄民.基于旋轉坐標變換的單相電壓型PWM整流器系統仿真[J].通信電源技術，2009,26(5):43-46.

[7]吳昇，王清靈，郭玉堂.基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置[J].電源技術，2010,34(10):1062-1064.

[8]孫毅超，趙劍鋒，季振東，等.一種基于虛擬電路閉環的單相PWM整流器控制新方法[J].電工技術學報，2013,28(12):222-229.

Research on feed-forward decouple control strategy for single-phase PWM rectifier

YU Fa-shan,LIU Gen-feng,ZHANG Hong-wei,GENG Chong
(School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo Henan 454000,China)

Due to the only one phase of the single-phase voltage source PWM rectifier,a feed-forward decouple control strategy based on rotating coordinates transform was proposed,by constructing virtual current to complete single phase rotating orthogonal coordinate transformation of net side current.Finally,the MATLAB/Simulink simulation model and simulation experiment platform based on RT-LAB were built up.The results show that the control strategy can satisfy the system requirements,which verifies the correctness and validity of the proposed control strategy.

single-phase PWM rectifier;feed-forward decoupling control;single-phase coordinate rotation;unit power factor

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2068-03

2016-03-01

余發山(1952—)，男(土家族)，湖北省人，教授，博士生導師，主要研究方向為過程控制、電力電子傳動等。